A galga extensométrica es un sensor que mide la cantidad de deformación en un objeto mediante la conversión de la fuerza mecánica en un cambio medible en la resistencia eléctrica. Cuando se aplican fuerzas externas como presión, tensión, compresión o peso se aplican a un objeto estacionario, crean fuerzas de resistencia internas conocidas como tensión y una deformación física conocida como deformación.
Las galgas extensométricas se encuentran entre las herramientas más esenciales en las técnicas de medición eléctrica utilizadas para cuantificar parámetros mecánicos. Como su nombre indica, están diseñados para medir la deformación, que puede ser por tracción (expansión), compresión (contracción) o cizallamiento (paralelo o tangencial), dependiendo de si la fuerza aplicada estira, comprime o distorsiona el material.
Comprender la tensión y la deformación
La deformación de un material puede ser el resultado de cargas externas, presión, torsión, calor o incluso cambios internos del material. En las condiciones adecuadas, la magnitud de la deformación puede correlacionarse directamente con la cantidad de tensión o fuerza que actúa sobre el material. Este principio constituye la base del análisis experimental de tensiones, donde los ingenieros utilizan los valores de deformación medidos en la superficie de un componente para determinar la distribución de tensiones, predecir la fatiga y garantizar el rendimiento de seguridad a largo plazo.
Galgas extensométricas: construcción y principio de funcionamiento
Una galga extensométrica típica consta de tres capas:
- Una capa superior laminada protectora
- Un elemento sensor metálico delgado (normalmente un alambre fino o una lámina).
- Una base de plástico o polímero.
Cuando se adhiere a una superficie sometida a una carga, el extensómetro se deforma con ella. Esta deformación provoca un cambio proporcional en la resistencia eléctrica del elemento sensor. La variación en la resistencia se puede medir y convertir, utilizando ecuaciones de calibración establecidas, en un valor de deformación preciso.
Comprender el principio de funcionamiento de una galga extensométrica
El principio de funcionamiento de una galga extensométrica se basa en el efecto piezorresistivo, o la tendencia de la resistencia eléctrica de un material a cambiar cuando se estira o se comprime.
Al adherirse firmemente a la superficie de un material sometido a tensión, la galga se deforma al unísono con dicha superficie. Esta deformación altera la longitud y el área transversal del elemento conductivo del medidor, lo que produce un cambio correspondiente en su resistencia eléctrica.
La relación entre la deformación (ε) y el cambio de resistencia se expresa mediante la ecuación de medición de la deformación:
Donde:
- ΔR = cambio en la resistencia
- R = resistencia original
- K = factor de calibración (una constante que depende del material y la construcción de las galgas extensométricas)
- ε = deformación (sin unidades, a menudo expresada en microdeformación, µε = 10 ⁻⁶ deformación)
En la mayoría de las galgas extensométricas, Rango: (a menudo solo unas pocas centésimas de ohmio), se utiliza un
Wheatstone Bridge and Signal Conditioning
Because the change in resistance produced by a strain gauge is extremely small (often just a few hundredths of an ohm), a circuito de puente de Wheatstone para detectarlo con precisión. Este circuito convierte el cambio de resistencia en una salida de tensión proporcional, que luego puede amplificarse, digitalizarse y mostrarse como deformación, fuerza o presión.
La configuración del puente de Wheatstone
Un puente de Wheatstone tradicional consta de cuatro brazos resistivos dispuestos en una red en forma de diamante. Se aplica una fuente de tensión a lo largo de una diagonal del puente y se mide la tensión de salida a lo largo de la otra.
Cuando las cuatro resistencias tienen la misma resistencia, el puente está equilibrado y no se produce tensión de salida. Cuando una galga extensométrica unida a una estructura sufre una deformación, su resistencia cambia ligeramente, desequilibrando el puente y produciendo una tensión de salida medible proporcional a la tensión aplicada.
Hay tres configuraciones comunes utilizadas en la medición de la deformación:
- Cuarto de puente: un extensómetro activo y tres resistencias fijas. Se utiliza en mediciones de deformación unidireccionales donde la compensación de temperatura es menos crítica.
- Medio puente: dos galgas activas, una en tensión y otra en compresión, montadas en lados opuestos de la muestra. Proporciona una mejor compensación de temperatura y una salida de señal duplicada.
- Puente completo: cuatro galgas activas dispuestas de manera que los brazos opuestos experimentan una deformación igual y opuesta. Ofrece la máxima sensibilidad, rechazo de ruido y compensación de temperatura.
Acondicionamiento de la señal
La salida del puente suele estar en el rango de los milivoltios, por lo que debe amplificarse y acondicionarse antes de ser procesada. Un amplificador de galgas extensométricas o un acondicionador de señal realiza funciones clave:
- Amplificación: Aumenta la señal de bajo nivel para una digitalización precisa.
- Filtrado: Elimina el ruido eléctrico y la deriva.
- Compensación de temperatura: Ajusta la expansión o contracción térmica que podría afectar a la resistencia.
- Conversión: traduce el voltaje analógico en una señal digital para su registro o visualización
Configuraciones comunes de galgas extensométricas
Las galgas extensométricas se utilizan para supervisar la cantidad de tensión que puede soportar un material o una estructura antes de sufrir un fallo. Existen en varias configuraciones dependiendo de la aplicación, incluyendo diseños de un solo elemento, roseta y biaxiales. La selección de la galga extensométrica adecuada depende de:
- La dirección de la deformación primaria
- El tipo de deformación que se mide (tracción, compresión o cizallamiento)
- El tamaño y la geometría del área de medición objetivo
Además de las diferencias en los materiales y los principios de detección, las galgas extensométricas también varían según su configuración, es decir, la disposición física y la orientación de sus elementos sensores. Cada configuración está optimizada para medir un tipo o dirección de deformación específicos, lo que garantiza la precisión y la relevancia para la aplicación prevista.
Galgas extensométricas
target="_blank"> Las galgas extensométricas lineales miden la deformación a lo largo de un solo eje y son ideales para aplicaciones en las que se conoce la dirección de la tensión. Son la configuración más común, a menudo utilizadas en mediciones básicas de tensión o compresión en vigas, ejes y componentes estructurales.
Galgas extensométricas de diafragma
Las galgas extensométricas de diafragma están diseñadas para medir la deformación, la tensión, la presión y la fuerza en materiales de pared delgada o flexibles, como metales, plásticos y compuestos. Normalmente se adhieren a diafragmas o membranas en transductores de presión, donde la deflexión de la superficie bajo presión produce una deformación medible.
Galgas extensométricas de roseta
Las galgas extensométricas de roseta contienen múltiples elementos sensores dispuestos en ángulos específicos, normalmente 0°, 45° y 90°, para medir la tensión biaxial en materiales donde se desconocen las direcciones principales de la tensión. Al analizar las salidas de cada elemento, los ingenieros pueden determinar tanto la magnitud como la dirección de las deformaciones principales, lo que hace que las rosetas sean esenciales para el análisis de tensiones y la validación de elementos finitos.
Galgas extensométricas de torsión y cizallamiento
Los extensómetros de torsión y cizallamiento están orientados para medir la deformación a 45° con respecto al eje principal, lo que les permite detectar la tensión de cizallamiento y el par. Se utilizan a menudo en ejes giratorios, brazos de torsión y componentes de transmisión para supervisar la potencia transmitida o el rendimiento mecánico bajo carga.
Galgas extensométricas paralelas dobles
Las galgas extensométricas duales paralelas utilizan dos rejillas sensoriales alineadas en paralelo entre sí. Esta configuración proporciona una medición precisa de la deformación por flexión al comparar la tensión en un lado de un componente con la compresión en el otro. Los medidores duales se utilizan con frecuencia en células de carga de vigas, pruebas de flexión estructural y análisis de fatiga.
Galgas extensométricas Tee Rosette
Aplicaciones habituales de las galgas extensométricas
Debido a su precisión, versatilidad y adaptabilidad, las galgas extensométricas se utilizan en casi todas las disciplinas de la ingeniería para medir las fuerzas, tensiones y deformaciones que se producen en los materiales y estructuras. Desempeñan un papel fundamental en las pruebas, el control y la supervisión de la seguridad, y a menudo constituyen la base de transductores y sistemas de adquisición de datos más complejos.
Ingeniería estructural y mecánica
En las pruebas estructurales, las galgas extensométricas ayudan a los ingenieros a supervisar las tensiones y la distribución de la carga en puentes, edificios, componentes de aeronaves y maquinaria. A menudo se adhieren a vigas, juntas o ejes giratorios para realizar el seguimiento del rendimiento bajo carga, evaluar la vida útil y validar modelos computacionales como el análisis de elementos finitos (FEA).
Ejemplos de aplicaciones:
- Pruebas de deflexión de puentes
- Monitorización de la carga de las alas de los aviones
- Análisis de la tensión de la pluma de una grúa
Medición de carga y fuerza
Las galgas extensométricas son elementos sensores clave dentro de las celdas de carga, los transductores de par y los sensores de presión. Cuando se aplican a una estructura deformable (como una viga o un diafragma), convierten los parámetros mecánicos (fuerza, peso o par) en una señal eléctrica.
Ejemplos de aplicaciones:
- Sistemas de pesaje industrial
- Medición de la precarga de pernos
- Detección de par en motores y accionamientos
Instrumentación de presión y caudal
Cuando se unen a diafragmas o elementos cilíndricos, las galgas extensométricas pueden detectar deformaciones mínimas causadas por la presión interna o el flujo. Estas mediciones constituyen la base de los transductores de presión, los sensores de presión diferencial y los caudalímetros utilizados en sistemas de climatización, control de procesos y sistemas de potencia hidráulica.
Ejemplos de aplicaciones:
- Monitorización de la presión en líneas de proceso
- Control de sistemas hidráulicos
- Bucles de retroalimentación del caudal
Investigación y análisis experimental de tensiones
En entornos de laboratorio e investigación, las galgas extensométricas permiten realizar análisis experimentales de tensiones (ESA), una técnica utilizada para estudiar el comportamiento de los materiales en condiciones de carga complejas. Colocando estratégicamente las galgas extensométricas en prototipos o muestras de ensayo, los investigadores pueden medir cómo se deforman los materiales bajo carga y correlacionar los datos con modelos teóricos.
Ejemplos de aplicaciones:
- Pruebas de materiales compuestos
- Análisis de fatiga
- Validación de prototipos
- Estudios de vibraciones
Industrias aeroespacial, de Automoción y energética
La medición de deformación de alta precisión es esencial en industrias donde la seguridad, la fiabilidad y el rendimiento son fundamentales. Las galgas extensométricas se utilizan ampliamente en pruebas estructurales aeroespaciales, programas de durabilidad en automoción y sistemas de energía renovable, como turbinas eólicas y soportes de paneles solares.
Ejemplos de aplicaciones:
- Monitoreo de la deformación del fuselaje de una aeronave
- Pruebas de suspensión de automóviles
- Seguimiento de la fatiga de las palas de las turbinas
Monitorización del estado industrial
En la fabricación inteligente moderna, las galgas extensométricas se pueden integrar en los sistemas de Internet Industrial de las Cosas (IIOT) para permitir la monitorización del estado en tiempo real. Cuando se conectan a acondicionadores de señal y transmisores inalámbricos, proporcionan información continua sobre el estado, la vibración y la carga de las máquinas, lo que facilita el mantenimiento predictivo y reduce el tiempo de inactividad.
Ejemplos de aplicaciones:
- Diagnóstico del estado de los equipos
- Sistemas predictivos basados en el aprendizaje automático
- Optimización automatizada de procesos
Soluciones innovadoras de 
Galgas extensométricas lineales precableadas KFH
Las galgas extensométricas lineales precableadas KFH ofrecen una instalación sencilla y un análisis de tensión de alta precisión. Destacado: un patrón de roseta plana (0°/45°/90°), estos medidores eliminan los errores de alineación que suelen asociarse a los diseños apilados, lo que garantiza lecturas fiables de la tensión biaxial.
- Los cables precableados (dos de 1 m o tres de 3 m por rejilla) simplifican la configuración, sin necesidad de soldar en el punto de medición
- Optimizados para estructuras de acero, proporcionan una compensación de temperatura precisa
- Se venden en prácticos paquetes de diez, ideales para el mapeo de deformación multipunto o pruebas de laboratorio
La galga extensométrica KFH es una opción fiable para pruebas estructurales, validación de componentes y aplicaciones de investigación donde es necesario resolver de forma precisa y eficiente la dirección de la tensión biaxial.
Galgas extensométricas de puente completo SGT
Las galgas extensométricas de puente completo SGT ofrecen un rendimiento con calidad de transductor para aplicaciones de medición de deformación axial y por flexión. Diseñadas para entornos exigentes, estas galgas combinan precisión, resistencia y estabilidad a largo plazo en un diseño compacto.
- La configuración de puente completo permite realizar mediciones estáticas y dinámicas de gran precisión
- El elemento sensor de lámina de constantan grabado garantiza un rendimiento y una sensibilidad constantes
- El soporte de poliimida proporciona una excelente flexibilidad, un radio de flexión reducido
- Funciona de forma fiable en un amplio rango de temperaturas, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones industriales y de investigación
- Se vende en paquetes de cinco para facilitar las pruebas multipunto o la fabricación de transductores
La serie de diafragmas de puente completo SGT es ideal para el diseño de transductores de precisión, la medición de presión y carga, y las pruebas estructurales dinámicas, donde tanto la precisión como la resistencia ambiental son fundamentales.